山区地表移动观测站布设新方法探讨

张广伟

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集团煤炭科学研究总院，北京 100013)

山区地表移动观测站布设新方法探讨

张广伟1,2

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集团煤炭科学研究总院，北京 100013)

我国西南矿区受地形条件的限制，布设规则观测站并采用传统观测方法存在较大难度。为此提出了一种新的山区地表移动观测站布设方法。首先建立任意观测线的求参模型，在分析的基础上提出可在山区复杂地形条件下布设不规则观测站。然后将GPS测量技术和常规测量手段相结合优化了观测站。最后，对联合测量的原理和观测步骤进行了阐述。实践表明，该方法能够很好地适应复杂山区地形条件，为更好地研究山区地表移动变形提供了基础保障。

山区 观测站 不规则 联合测量

地表移动观测站是求取地表移动参数的重要途径[1]，过去数10年在全国已布设了数百条观测线[2]，为我国的开采损害防治和矿产资源开发提供了重要技术保障。但过去的观测站90%以上集中在平原地区[3]，受山区地形地貌条件和观测方法等的制约[4]，对山区地表移动观测站的设计尚缺乏足够经验。

近年来，随着地表移动数据处理技术和测量技术的进步，特别是任意观测站求参方法的出现[5-8]，以及常规方法和GPS技术联合测量方法的出现[9-10]，使得在复杂地形地貌条件下布设不规则观测线成为可能。

本研究在任意点求参模型的基础上，探讨了山区复杂地形条件下布设不规则观测站的可行性，并根据设站区域地形地貌条件，探讨了GPS技术与常规观测方法联合测量的原理和数据处理方法，为复杂地形地貌条件下的地表移动变形研究提供保障。

1 任意形状观测站求参模型

根据开采沉陷理论，地表任意点的下沉计算公式为

(1)

式中，W(x,y)是移动盆地范围内任意点的下沉值；W0为实测最大下沉值；W(x)、W(y)分别为走向或倾向剖面上任意点的下沉值。

根据上面的理论公式，采用常用的数据处理软件即可编制任意点求参程序，即根据地表任意观测点求取地表移动变形参数。本研究以数学优化计算软件1stOpt为例，给出任意点求参程序模型为

(2)

式中，m为矿层法向采厚，m；q为下沉系数；α为矿层倾角，(°)；x、y分别为沿开采工作面走向和倾向方向的坐标值；H1、H2、H分别为工作面上下山边界和平均采深，m；tanβ1、tanβ2、tanβ分别为上下山方向和走向方向主要影响角正切值；D1、D2分别为工作面走向和倾向长度，m；S1、S2、S3、S4分别为上下山方向和走向左右边界的拐点偏移距；θ为开采影响传播角。

由上面的地表移动参数计算模型可知，无论地表移动观测站的布设形式如何，地形地貌起伏变化情况如何，只要获取地表任意观测点的移动数据(以下沉数据为例)，就可以进行求参。

2 观测站布设方法

本次观测站布设以西南某矿山为例进行说明。

2.1 设站区域概况

设站区域属于构造侵蚀低山山地地貌，地势北高南低，山脉两侧冲沟发育，地表标高变化较大，在+293.8～+532.4m之间，表土层较薄，厚度1～6m。观测站设站区域地形地貌情况见图1。

图1 设站区域地形地貌

设站区域下方拟开采一工作面，该工作面走向长550m，倾向长120m，开采厚度2.8m，平均采深510m。拟采用综合机械化开采法，全陷法管理顶板。

2.2 布设模式的选择

地表移动观测站常用的布设方式有剖面线观测站和网状观测站，但由于设站区域林木茂盛、地形起伏变化大，若采用传统的布设方式，测线需要通过大量的树林密集区，测点间难以通视。考虑到地表移动数据处理技术和观测方法的进步，本次地表移动观测站将采用不规则布设形式。观测站布置情况见图2，共布设了60个测点，其中控制点4个，分别位于观测线两侧，观测点56个。

图2 观测站布置图

2.3 观测线的优化

由观测线布置图2可以看出，控制点距工作面较远，控制点到工作面上方测点间大多是过渡点，即只为将基准数据导到工作面上方测点。因此，若采用常规观测方法，不仅需要增加建站成本，投入更多的人力和物力，还由于观测线较长，精度难以得到保证。

近年来，随着GPS测量技术的日益成熟，以及GPS技术与常规测量技术融合深度的不断提高，使得应用GPS技术与常规测量手段联合测量地表变形成为可能。

本次观测线优化正是基于上述方法。优化后的观测线如图3所示，共布设了51个测站点，其中3个GPS接收站，其中1台作为控制点基准，其他2台作为动态控制点，观测点共48个。

图3 观测站优化布置图

比较图3和图2 可以看出，优化后的观测线比传统布设方法短了，消除了为引入测量基准而布设的过渡点，建站成本明显降低。更重要的是观测方式更加灵活，既可以分段观测，又可以多组同时观测，既提高了测量效率，又有效地控制了因地表快速沉降而导致的闭合误差。

3 观测原理分析

3.1 与传统观测原理比较分析

以水准测量为例，传统的水准测量是使用水准仪等仪器，按照测量规程相关规定，由已知水准点开始通过测量水准路线各点高程差来计算各点高程，进而计算2次观测数据的变形量，其测量原理如图4所示。

图4 常规测量原理示意

而本研究提出的联合测量方法，是通过在稳定区域设置静态GPS控制点，在测区设置动态GPS控制点，每次测量将动态GPS控制点的数据作为常规测量的已知数据，然后完成整个观测工作。该观测方法的基本原理如图5所示。

图5 本研究方法测量原理示意

由图5和图4的比较可知，与常规测量方法相比，本研究提出的联合测量方法，具有如下优势：

(1)充分利用了GPS数据传输的跨视域特点和常规测量的灵活性，即静态GPS控制点只负责将数据同步传输给动态GPS控制点，常规测量以动态GPS控制点数据作为起算基准，大大缩短了观测路线。

(2)由于动态GPS控制点与静态GPS控制点之间无须通视，所以可根据地形地貌特点，灵活设置动态GPS控制点，大大方便了设站的灵活性。

(3)静态GPS控制点与动态GPS控制点之间不需要再设置过渡测点，节省了部分建站成本；同时，由于每个动态GPS控制点可单独控制部分观测点，因此，可多组同时观测，能够有效提高测量效率。

3.2 观测步骤及数据处理方法

(1)获取指定时段的动态GPS控制点数据，并根据WGS-84坐标系统与常用坐标系统间的转换模型，将动态GPS控制点数据转化为地面坐标系统数据，并以此作为常规测量的起算基准。

(2)以动态GPS控制点数据为基准，采用全站仪等仪器完成常规的水准测量和平面测量。

(3)将常规测量数据和已转换成地面坐标系统的动态GPS控制点数据输入到Excel表中，转换成.dat文件后导入到平差软件中统一平差。

4 结 论

(1)通过建立任意点求参模型，分析提出在山区复杂地形地貌条件下布设不规则观测站是可行的。

(2)在山区复杂地形地貌条件下，采用GPS技术和常规方法相结合的联合测量方法具有建站灵活、测线短、观测效率高等优点。

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(责任编辑 石海林)

A New Method of Layout Mode of Surface Movement Observation Station in Mountain Area

Zhang Guangwei1,2

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063012，China；2.ChinaCoalResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Beijing100013，China)

Restricted by topographical condition，it is difficult to build regular observation station and adopt traditional measuring method in the mining areas in southwest of China.A new method for layout of observation station in mountain area is present.Firstly，the irregular observation station under the complex topographical conditions is laid out，through the construction of parameters model for arbitrary observation line.Then，the GPS technique and the traditional measurement method are combined to optimize the observation station.Finally，the principles of the new observant method and the main steps of observation are described.Practice shows that，this method can well adapt to the mountain areas with complex terrain conditions，and provide the foundation for better research on surface movement and deformation in mountain area.

Mountain area，Observation station，Irregular，Combined measurement

2015-02-01

张广伟(1981—)，男，博士研究生。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-182-04